Развитие органического мира

Ранние этапы развития жизни на Земле. Вместе с другими планетами солнечной системы Земля образовалась, как предполагают, 5-7 млрд. лет назад. Многие сотни миллионов лет условия, необходимые для жизни, отсутствовали. Это была звездная эра в истории Земли.

Первая геологическая эра - архейская, продолжительностью 900 млн. лет, - почти не оставила следов органической жизни.

Это объясняется тем, что осадочные слои архейского возраста были сильно видоизменены под действием высоких температур и давления, а также тем, что твердые части тела у первичных организмов были развиты слабо.

Однако наличие пород органического происхождения - известняка, мрамора и углистых веществ - указывает на то, что в архейскую эру уже существовали живые организмы: бактерии, водоросли:

Жизнь сосредоточивалась в воде, которую водоросли уже насытили кислородом, что и создавало условия для появления животных.

Таким образом, к началу протерозойской эры (длившейся 2000 млн. лет) произошли три крупных изменения в развитии живых организмов - возникновение:

1) полового процесса,

2) фотосинтеза и

3) многоклеточное.

Половой процесс возник, как предполагают, в форме слияния двух одинаковых клеток, например двух особей одноклеточных водорослей. Позднее половое размножение, по-видимому, происходило при помощи специальных половых клеток.

При половом процессе мужская и женская половые клетки сливаются, образуя зиготу. Из нее развивается организм, совмещающий наследственность как отца, так и матери, это усиливает наследственную изменчивость в потомстве, а следовательно, расширяет действие естественного отбора. Новый способ размножения, как полезный в сохранении видов, был закреплен естественным отбором, и теперь он преобладает в животном и растительном мире.

Возникновение фотосинтеза положило начало разделению единого ствола жизни на два - растения и животные. На самых ранних этапах эволюции произошла дивергенция организмов по способу питания.

Первичные организмы могли существовать за счет разложения органических веществ, находившихся в изобилии в древнейших водных бассейнах. Некоторые первичные организмы получали необходимую для жизни энергию за счет той, которая выделялась при химических реакциях.

И в наше время существуют бактерии, которые используют энергию, освобождаемую при окислении, например, азота, серы, железа.

Организмы, начавшие синтезировать пигмент хлорофилл, получили возможность использовать запасы углерода в форме углекислого газа и перерабатывать их в органические вещества на солнечном свету. В атмосфере появился свободный кислород.

Изменение воздушной среды и наличие пищи - зеленых растений - создали предпосылки для развития животных.

Родоначальниками простейших растений и животных считается группа древнейших одноклеточных организмов - жгутиковых. Бактерии и сине-зеленые водоросли не дали начала новым типам и остались до нашего времени обособленными группами.

Предками многоклеточных организмов, как предполагают многие ученые, были колониальные формы одноклеточных жгутиковых.

И в настоящее время существуют колониальные формы жгутиковых. Многоклеточное строение повлекло дальнейшее усложнение в организации живых существ - дифференциацию тканей, органов и их функций.

Остатки животного мира протерозойской эры крайне редки и малочисленны, но по ним можно судить о том, какой бесконечно длинный путь развития был уже пройден органическим миром. Известны остатки всех типов беспозвоночных животных, включая высокоразвитые типы: иглокожих и членистоногих. Предполагают, что в конце протерозойской эры появились первичные хордовые - подтип бесчерепных, единственным представителем которых в современной фауне является ланцетник.

Важнейшим этапом было возникновение животных с двусторонней симметрией тела, которая привела к дифференцировке его на передний и задний концы, а также на брюшную и спинную стороны.

Передний конец является местом, где развиваются органы чувств, нервные узлы, а в дальнейшем - головной мозг; спинная сторона выполняет защитную функцию; брюшная обеспечивает захват пищи. Подавляющее большинство многоклеточных животных двусторонне симметричны.

Растения и животные в протерозойскую эру еще не заселили сушу, но бактерии и одноклеточные водоросли могли существовать во влажных местах, принимая участие в процессах почвообразования.

Палеозойская эра. Начиная с кембрийского периода, эта эра отличается большим разнообразием форм. Кроме бактерий и одноклеточных водорослей, получили распространение крупные многоклеточные водоросли

В эволюционном отношении многоклеточные водоросли представляли большой шаг вперед, так как обладали более совершенными способами питания и размножения по сравнению с одноклеточными водорослями.

Расчленение тела у многоклеточных водорослей путем ветвления и образования различных выростов, напоминавших по виду листья, стебли и корни, увеличивало поверхность соприкосновения с внешней средой, откуда они получали питательные вещества и воду.

О фаунах кембрийского и силурийского периодов свидетельствуют ископаемые остатки, относящиеся ко всем современным типам: простейшим, кишечнополостным, губкам, червям (три типа), иглокожим, моллюскам, членистоногим, хордовым.

В морях силурийского периода процветали плеченогие. Это сидячие небольшие животные (до 10 см в длину) с двустворчатой раковиной; в современной фауне их осталось не более 200 видов. В илистом грунте ползали или плавали у самого дна представители членистоногих - трилобиты, которые долгое время оставались наиболее высокоорганизованными животными.

Самые крупные трилобиты достигали 75 см в длину. Обнаружены остатки бесчелюстных позвоночных - щитковых. Это небольшие животные с внутренним хрящевым скелетом и твердым внешним панцирем. Современные миноги и миксины - отдаленные потомки щитковых.

У представителей этих фаун было настолько сложное строение, что возникает предположение о существовании их предков еще в протерозойскую эру, но до нас не сохранившихся.

В процессе дальнейшей эволюции происходила главным образом дивергенция типов животного мира и замена первоначальных низкоорганизованных, примитивных форм более высокоорганизованными.

Развитие наземных организмов в палеозойскую эру

Выход растений на сушу. В конце силурийского периода в связи с бурными горообразовательными процессами большая территория суши освободилась из-под воды. Многие виды водорослей, оказавшиеся в условиях суши, погибли.

Но какая-то часть зеленых многоклеточных водорослей приобрела изменения, имевшие широкое приспособительное значение в новой среде обитания. Растениями, вступившими на новый путь развития, были псилофиты.

По сравнению с зелеными многоклеточными водорослями псилофиты претерпели крупнейшие изменения. У них возникли ткани, выполняющие различные функции: защитная (эпидермис с устьицами), механическая, поддерживающая тело в пространстве.

Ветвление стебля продолжалось под землей, образуя подобие корней.

Возможность заселения суши псилофитами была уже подготовлена жизнедеятельностью бактерий, одноклеточных водорослей, создавших первую почву.

С середины девонского периода происходит постепенное убывание псилофитов и их полное исчезновение к концу этого периода. Они дали начало группам растений, стоящим выше по степени организации: плауновым, хвощовым и папоротниковым.

Каменноугольные леса. В развитии наземной растительности произошел крупный эволюционный подъем около 350 млн. лет назад, в начале каменноугольного периода с его теплым влажным климатом и воздухом, богатым углекислым газом вследствие сильной вулканической деятельности.

Впервые на Земле появились огромные леса из папоротникообразных - гигантских папоротников, древовидных хвощовых и плауновых - высотой 15-30 м. В подлеске произрастали травянистые формы папоротникообразных; стволы обвивали лианы - папоротники.

По сравнению с псилофитами папоротникообразные обладали многими преимуществами: хорошим развитием корневой и проводящей систем, а также - листьев. Но в размножении папоротникообразные все еще были связаны с водой, необходимой для передвижения половых клеток при оплодотворении.

Пышная растительность сильно изменила состав атмосферы, обогатив ее кислородом, что имело важное значение для развития наземных животных.

Растительность каменноугольного периода способствовала образованию плодородных почв, обогащая их перегноем. А это благоприятствовало дальнейшему развитию наземной растительности.

Леса каменноугольного периода образовали месторождения каменного угля, имеющие исключительное значение для нас.

Древнейшие семенные растения. В каменноугольный период в лесах произрастали семенные папоротники - древнейшие голосеменные, у которых вместо спорангиев со спорами развивались семена. Семенные папоротники ясно указывают на происхождение голосеменных растений из споровых.

Возникновение первых семенных растений было огромным прогрессивным фактом, определившим всю дальнейшую эволюцию растений.

Особенности размножения семенных растений создавали им преимущественное положение по сравнению с папоротникообразными. У семенных растений оплодотворение происходит без участия воды, зародыш находится в семени и поэтому защищен от неблагоприятных влияний, семя содержит большой запас питательных веществ, необходимых для развития зародыша.

Папоротникообразные же нуждаются в наличии воды для оплодотворения; спора у них представляет собой всего одну клетку с очень ограниченным запасом питательных веществ; для развития заростка необходима влажная почва.

С конца каменноугольного периода в связи с усиленным горообразованием, охватившим в следующем (пермском) периоде весь земной шар, влажный климат почти повсеместно сменился сухим. В новых условиях древовидные папоротникообразные стали быстро вымирать; лишь в сырых и тенистых местах удержались более мелкие формы.

Вымерли и семенные папоротники. Но более высокоорганизованные голосеменные растения оказались жизнестойкими, так как размножение семенами позволяло расселяться на более сухих местах. Богатое развитие и широкое распространение голосеменных продолжалось почти до конца мезозойской эры.

Выход позвоночных на сушу. Появление и развитие наземных растений создало важнейшие предпосылки для выхода животных на сушу и дальнейшего развития их в новых условиях; изменение химического состава атмосферы и запасов пищи.

Чтобы понять, как совершился выход животных на сушу, следует остановиться на исключительно важных в эволюционном отношении изменениях, происшедших у рыб в девонском периоде. Первое крупное преобразование связано с появлением челюстных панцирных рыб. Считают, что их предками была одна из групп щитковых.

Челюстные панцирные рыбы обладали внутренним хрящевым скелетом и подвижными костными челюстями, парными плавниками и костным панцирем.

Возникновение челюстей было важным этапом по пути повышения общей организации позвоночных.

Животные, обладавшие костными челюстями, могли активнее охотиться, энергичнее справляться с добычей, в связи с чем в процессе естественного отбора совершенствовались нервная система и органы чувств.

В девонском периоде появилась еще новая группа рыб - кистеперые. Они имели два способа дыхания: жаберное и легочное при помощи одного или двух пузырей, открывающихся на брюшной стороне пищевода.

Плавники кистеперых не были специализированы, как, например, у челюстных панцирных рыб, в выполнении одной функции, т.е. плавания. Плавники кистеперых выполняли несколько функций: они служили не только при плавании, но и порой при ползании. Скелет плавника кистеперой рыбы гомологичен пятипалой конечности позвоночных.

Кистеперые обитали в пресных водоемах. В мезозойскую эру они перешли в моря. В 1938 г. в Индийском океане, у берегов Африки, было поймано несколько экземпляров рыбы, названной латимерией. Это дошедшие до нас представители кистеперых рыб, считавшихся полностью вымершими.

Самыми примитивными наземными позвоночными считают древних земноводных. Установлено, что они произошли от одной из групп кистеперых рыб. Процесс возникновения земно-74 водных можно представить себе таким образом. Рыбы, принадлежавшие к одной из ветвей кистеперых, были крупнее других и обладали более мощными плавниками.

Они жили в неглубоких водоемах, периодически высыхавших, что заставляло животных переползать в оставшиеся лужи. На основе наследственной изменчивости и в процессе естественного отбора плавники превратились в конечности, пригодные для хождения.

Предпосылками для выхода на сушу кистеперых предков земноводных были строение конечностей и легочное дыхание.

Древнейшие земноводные - стегоцефалы (плоскоголовые) обитали в болотистых местностях. Размножение, развитие яиц и личинок, дышавших жабрами, происходило, как и у всех современных земноводных, в воде.

Поэтому первые наземные животные не могли жить в местах, удаленных от водоемов. По сравнению с современными земноводными их далекие предки отличались разнообразием размеров (от нескольких сантиметров до 4 м в длину), наличием костных щитков на голове и мелких щитков на брюхе.

Стегоцефалы соединяли признаки рыб, земноводных и пресмыкающихся. Это переходная форма.

Теплый и влажный климат, огромные леса и топи каменноугольного периода создавали исключительно благоприятные условия для расцвета групп земноводных, приспособленных к различным местообитаниям и находящихся на одном уровне общей организации.

В каменноугольный период на суше шло интенсивное и разностороннее развитие беспозвоночных: насекомых, пауков, скорпионов.

В морях плавало множество рыб, особенно акул. Кораллы продолжали возводить свои известковые постройки; из раковин корненожек шло интенсивное образование горных пород. Дно усеивали плеченогие, моллюски, иглокожие; заметно убавилось трилобитов.

Ранее существовавшие типы и классы дивергировали на новые группы; вымирали одни ветви, происходил подъем и расцвет других.

Естественный отбор "прилаживал" живые существа к разным местообитаниям, хотя и в пределах одной среды; это ослабляло действие конкуренции и способствовало сохранению видов.

В конце каменноугольного периода, особенно в начале пермского, создались засушливые условия, крайне неблагоприятные для земноводных. Прежде всего, их размножение зависело от наличия воды, без которой не мог развиваться зародыш.

Легочное дыхание, кровеносная система были несовершенными, а голая кожа не могла защищать тело от высыхания. Значительная часть крупных земноводных вымерла.

Те же, которые могли укрыться в оставшихся болотах и топях, дали начало земноводным значительно меньших размеров.

Способной к дальнейшему завоеванию суши оказалась какая-то группа земноводных, которая претерпела очень большие изменения, оказавшиеся полезными в новых условиях.

У этих животных изменился способ размножения: возникло внутреннее оплодотворение; яйцо имело большой запас питательных веществ и оболочку, предохраняющую зародыш от высыхания.

Развитие зародыша происходило на суше. Эти важные преобразования положили конец зависимости размножения и развития животных от воды.

У взрослых животных развился роговой покров, защищавший их от высыхания. Легкие и кровеносная система также оказались более совершенными у этих животных при переходе их полностью к жизни на суше. Таким образом, возник новый класс позвоночных - пресмыкающиеся.

Появление древнейших пресмыкающихся было новым важным этапом в развитии животного мира: из низкоорганизованных земноводных возникли более высокоорганизованные пресмыкающиеся. И когда в конце палеозойской эры климат на Земле стал жарким и засушливым, пресмыкающиеся оказались вне конкуренции в новой среде обитания.

Главным образом это были травоядные животные, но некоторые пресмыкающиеся перешли к хищному образу жизни. Особенно интересна группа зверозубых рептилий, остатки которых были найдены в СССР на берегах Северной Двины.

У них есть сходство с млекопитающими в строении черепа, позвоночника и конечностей, а также делении зубов на клыки, резцы и коренные. Предполагают, что от потомков зверозубых рептилий взяли начало первые млекопитающие. Зверозубые ящеры - переходная форма.

Итак, в палеозойскую эру происходило дальнейшее развитие беспозвоночных в воде; возникли бесчелюстные и челюстные панцирные рыбы.

Растения и животные вышли на сушу; появились сосудистые споровые и голосеменные растения, кистеперые рыбы, земноводные и пресмыкающиеся. В органическом мире происходили глубокие изменения; в разные геологические эры и периоды существовали различные флоры и фауны, преемственно сменявшие друг друга.

Как вы видите, ознакомление с наиболее важными этапами развития органического мира в первые три эры - архейскую, протерозойскую и палеозойскую - дает богатый фактический материал, на основании которого можно судить о направлениях эволюции.

Рассмотрим этот вопрос, прежде чем перейти к изучению дальнейших изменений в живой природе в течение мезозойской и кайнозойской эр.

Список литературы

1. Азимов А. Краткая история биологии. М., 1997.

2. Кемп П., Армс К. Введение в биологию. М., 2000.

3. Либберт Э. Общая биология. М., 1978.

4. Льоцци М. История физики. М., 2001.

5. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. Учебное пособие. М., 1999.

6. Небел Б. Наука об окружающей среде. Как устроен мир. М., 1993.